一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置

1.本发明属于产生高准直度原子束流技术领域，具体涉及一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置。


背景技术：

2.现目前，产生纯净原子束流的超高温装置是一种将固体物质气化、用于产生空间分布和密度可控的纯净的原子束的实验装置。纯净的原子束具有研原子传播方向速度分布很窄、准直度高的特点，目前已经在高分辨原子光谱、原子动力学，量子调控测量等方面有着广泛的应用。
3.原子光谱是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列光所组成的光谱。对原子光谱的研究是探索原子核外电子排布的重要手段之一，在物理和分析化学中，通过发射或吸收光谱来鉴定物质。光谱学也同样大量运用在天文学和遥感领域。
4.市面上普遍使用类似的产生原子束流的装置是真空镀膜机一类，此类设备的系统体积较大，便携性和可移动性很差，功率消耗较大，真空洁净度要求不高，得到的原子束流可能会有杂质。以及真空镀膜机使用类似装置的目的是为了均匀的镀膜，真空镀膜机里得到的原子束流是四溅的，原子束流的发生装置不能很好的控制原子束流的密度，无法调整原子束流的准直度，以及该功率一般配备的水冷设备体积很大，便携性也很差，所以不适用于实验使用。
5.由于目前部分需要使用到原子束流的冷原子实验装置都是使用塞满减速器冷却后用使用mot来进行捕获，只降低沿原子束流传播方向的速度，所以对产生的原子束流就有了一定的要求。需要前置装置产生的原子束流是纯净的单质原子状态，不能有其他杂质，但是某些材料可能会与实验所需的金属单质发生反应，所以要根据实验所需要的金属单质选择盛放固体物质的容器材料。还需要前置原子束流发生装置可以有效的控制原子束流的密度，使原子的发散角尽量小，准直度较好，才能让后续原子光阱尽可能多的捕获原子，提高有效原子单质数量，也能提高后续实验质量。
6.由于可以满足以上需求的原子束发生装置需要在高温下工作，目前较为常见的原子束发生装置的加热方式都是外加热方式。外加热是一种较为容易实现的加热方式，主要通过在设备的外部缠绕加热丝或者加热带再用石棉包裹达到加热保温效果，使用条件低，操作简单。但是外加热的加热功率需求大，一般直接使用220v电压接入，加热材料直接接触到空气容易氧化，保温效果差散热快，长时间的外部加热有可能导致设备的法兰接口部分融化打不开，设备的工作寿命短。针对这种外加热的弊端，以及目前的实验需求中越来越需要体积小方便更换的原子束流发生设备，并且根据不同实验需求所以需要的原子也不同就需要更换实验基础材料。
7.因此，针对以上技术问题缺陷，急需设计和开发一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置；
9.本发明的目的是这样实现的：所述装置本体外侧设置有真空腔外壳；所述真空腔外壳的一端分别设置有法兰电极、电穿心和冷却水的流通的水穿心；所述真空腔外壳一端的外侧设置有抽气开口；
10.所述真空腔外壳内设置有水冷设备，所述水冷设备由水冷内壁，水冷管道，水冷外壁组成；所述真空腔外壳内还设置有用于支撑加热器和所述水冷设备的陶瓷底座；
11.所述加热器用于对坩埚主体进行加热，并且所述加热器套入于所述坩埚主体；所述坩埚主体的一端设置有原子炉炉盖；与所述原子炉炉盖同侧且位于所述真空腔外壳另一端设置有出射法兰。
12.进一步地，所述电穿芯呈环形设置于所述真空腔外壳的一端；所述电穿芯的数量至少为六个。
13.进一步地，所述水冷管道具体为由紫铜材料制作成的圆形细管，并且s型盘绕在所述水冷外壁的表面上。
14.进一步地，所述水冷设备具体为于腔体以内并且与真空腔外壳贴合设置。
15.进一步地，所述陶瓷底座具体为五边形陶瓷底座。
16.进一步地，所述加热器外侧设置有用于固定加热丝的固定栅栏。
17.进一步地，所述加热丝长度为90mm；内径为0.8mm；并且所述加热丝具体由导热效率高的陶瓷材料制作而成的陶瓷柱。
18.进一步地，所述坩埚主体具体为用钽制作而成。
19.进一步地，所述原子炉炉盖上设置有炉盖定位孔和原子出射孔。
20.进一步地，所述原子出射孔设置有圆形紧密排布毛细管阵列；
21.所述毛细管长为25mm，内径为0.5mm；数量为30根。
22.本发明通过所述装置本体外侧设置的真空腔外壳；所述真空腔外壳的一端分别设置的法兰电极、电穿心和冷却水的流通的水穿心；所述真空腔外壳一端的外侧设置的抽气开口；以及所述真空腔外壳内设置的水冷设备，所述水冷设备由水冷内壁，水冷管道，水冷外壁组成；所述真空腔外壳内设置的用于支撑加热器和所述水冷设备的陶瓷底座；所述加热器用于对坩埚主体进行加热，并且所述加热器套入于所述坩埚主体；所述坩埚主体的一端设置有原子炉炉盖；与所述原子炉炉盖同侧且位于所述真空腔外壳另一端设置的出射法兰；可以应用在冷原子实验系统中，为冷原子实验系统提供高质量高纯度的原子束流。冷原子系统来进行量子模拟。另外通过添加人工规范场，可以研究拓扑问题。主要在冷原子实现费米气体的自旋轨道耦合。
23.也就是说，本发明提出了一种实现高温工作方式-内加热。在原子束发生装置内是真空状态，空气含量很低，所以内保部气体环境的导热率很低，经过计算可以得出由加热丝发出的黑体辐射很低，所以加热就只能依靠材料本身的热传导。由于要设备要做到小型化便携化，实验设备的体积减少那么内部空间就会被压缩，所以如何在保证加热效果的同时，要使加热丝紧贴着加热器缠绕，挑选加热丝时要根据工作温度挑选加热丝的材质，根据设计的固定栅栏的大小选择合适粗细的加热丝和能匹配的绝缘陶瓷柱。加热丝的缠绕方式根据固定栅栏的位置设计成s形紧贴加热器加热，还需设置隔热装置使热量的传递尽量减少，
由于加热丝的容易氧化断裂的原因还需要设置方便更换的结构。但是内加热的好处是加热功耗低，可以很好的做好保温工作，保持整个设备内部的高温工作，同时减少原子束流因为出射孔处温度降低而沉积堵塞毛细管，保持很好的工作效率，保证了得到的准直度高的原子数量。
24.同时为了方便更换以及确保设备的正常运行需要把内部设计的更加精密和稳定，增长设备的使用寿命以及需要兼顾由于更换不同实验材料性质的不同来选择原子束发生装置内部坩埚主体材料，以及需要根据装置内的电子设备排布所以需要设计一个特殊排布的法兰电极。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置之内部结构示意图；
27.图2为本发明一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置之整体外观结构示意图；
28.图3为本发明一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置之原子炉炉盖内部结构示意图；
29.图4为本发明一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置之后视图内部结构示意图；
30.图5为本发明一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置之坩埚主体结构示意图；
31.图6为本发明一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置之坩埚固定栅栏及水冷管道通路结构示意图；
32.图中：
33.1-法兰电极；2-电穿心；3-金属支撑杆；4-水穿心；5-真空腔外壳；6-加热器；7-固定栅栏；8-坩埚主体；9-陶瓷底座支撑；10-原子炉炉盖；11-出射法兰；12-水冷内壁；13-不锈钢设备外壳；14-水冷外壁；15-水冷管道；16-抽气开口位置；17-原子炉盖定位孔；18-原子出射孔
34.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.为便于更好的理解本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。
36.本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
37.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。其次，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.以下结合附图对本发明作进一步阐述。
40.如图1-6所示，本发明提供了一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置，所述装置本体外侧设置有真空腔外壳5；所述真空腔外壳5的一端分别设置有法兰电极1、电穿心2和冷却水的流通的水穿心4；所述真空腔外壳5一端的外侧设置有抽气开口；
41.所述真空腔外壳5内设置有水冷设备，所述水冷设备由水冷内壁12，水冷管道15，水冷外壁14组成；所述真空腔外壳5内还设置有用于支撑加热器6和所述水冷设备的陶瓷底座；
42.所述加热器6用于对坩埚主体8进行加热，并且所述加热器6套入于所述坩埚主体8；所述坩埚主体8的一端设置有原子炉炉盖10；与所述原子炉炉盖10同侧且位于所述真空腔外壳5另一端设置有出射法兰11。
43.所述电穿芯呈环形设置于所述真空腔外壳5的一端；所述电穿芯的数量至少为六个。
44.所述水冷管道15具体为由紫铜材料制作成的圆形细管，并且s型盘绕在所述水冷外壁14的表面上。
45.所述水冷设备具体为于腔体以内并且与真空腔外壳5贴合设置。
46.所述陶瓷底座具体为五边形陶瓷底座。
47.所述加热器6外侧设置有用于固定加热丝的固定栅栏7。
48.所述加热丝长度为90mm；内径为0.8mm；并且所述加热丝具体由导热效率高的陶瓷材料制作而成的陶瓷柱。
49.所述坩埚主体8具体为用钽制作而成。
50.所述原子炉炉盖10上设置有炉盖定位孔和原子出射孔18。
51.所述原子出射孔18设置有圆形紧密排布毛细管阵列；
52.所述毛细管长为25mm，内径为0.5mm；数量为30根。
53.具体地，在本发明实施例中，提供一种用于产生高准直度原子束流的内加热超高温装置；所述装置本体的真空腔外壳5为整个设备提供良好的真空环境，抽气开口位置16处是一个c16的法兰，上面可以接上cf16转cf35的角阀方便抽真空，在不抽真空的时候可以关闭角阀保持设备的真空度，防止氧化设备。法兰电极1与呈环形排布的六个电穿心2在确保整个设备可以处于真空状态的同时为设备里面需要用到的温控探头和加热丝供电，电子设备的电线缠绕由金属支撑杆33支撑。水冷设备由水冷内壁12，水冷管道15，水冷外壁14组成，整个水冷设备缩小包含在腔体以内与外壳贴合，这样不但能加便携性还可以有效的给
原子炉外壳降温，避免高温烫伤。水冷管道15是由紫铜材料制作成的圆形细管，s型盘绕在水冷内壁12的表面上，这样可以更有效的覆盖整个加热部分，能更加好的带走热量达到降温效果。外壳两侧各拥有一个水穿心4用于冷却水的流通。而水冷设备和加热器6则由两个五边形陶瓷底座支撑9，该陶瓷底座选用导热性较差的陶瓷制作，这样可以有效的减少加热器6与水冷设备之间的直接热量传递，这样有利于加热器6对坩埚主体8可以达到更好的加热效果。加热器6上设计了21条用于固定加热丝的固定栅栏7，该设计是为了可以把加热丝缠绕上去之后得到更好的固定效果，也可以保持加热丝之间的间距从而有效的给加热器6均匀加热。缠绕在上面的加热丝都套上长度为90mm内径为0.8mm的，使用导热效率高的陶瓷材料制作的陶瓷柱，这样不但保证了给加热丝绝缘防止发生短路情况也可以让加热丝的热量更好的传递到加热器6上，让整个设备保持在高温工作。缠绕好之后的加热丝再用细金属丝固定防止散开。加热器6里面直接套入坩埚主体8，这两个部分充分接触，坩埚主体8是用钽制作的这可以保证该设备在高温下工作又不会和工作物质产生反应这样就可以得到足够纯净的单质的原子束流。在原子炉炉盖10上设计有原子炉盖定位孔17和原子出射孔18原子炉盖定位孔17的作用是用于把炉盖通过和加热器6上的开孔通过细铁丝连接固定在坩埚主体8上，使原子出射孔18位于坩埚主体8的中心。在原子出射孔18上可以加入圆形紧密排布的长25mm，内径0.5mm的30根毛细管阵列，用于调控出射原子束流的准直度以及原子密度，此毛细管阵列可以根据实验需要更换以达到不同实验对原子束流准直度的要求以及原子束流数量的要求。原子出射孔18也位于出射法兰11的中心，这样方便进行后续的实验，出射法兰11可以连接六通法兰，六通法兰通过一个腔道连接，六通法兰上安装有观察窗镜，激光入射窗镜，激光出射窗镜，还有一个盲板用来记录实验现象，以便于试验检测调控原子束准直度以及数量的功能。
54.本发明通过所述装置本体外侧设置的真空腔外壳5；所述真空腔外壳5的一端分别设置的法兰电极1、电穿心2和冷却水的流通的水穿心4；所述真空腔外壳5一端的外侧设置的抽气开口；以及所述真空腔外壳5内设置的水冷设备，所述水冷设备由水冷内壁12，水冷管道15，水冷外壁14组成；所述真空腔外壳5内设置的用于支撑加热器6和所述水冷设备的陶瓷底座；所述加热器6用于对坩埚主体8进行加热，并且所述加热器6套入于所述坩埚主体8；所述坩埚主体8的一端设置有原子炉炉盖10；与所述原子炉炉盖10同侧且位于所述真空腔外壳5另一端设置的出射法兰11；可以应用在冷原子实验系统中，为冷原子实验系统提供高质量高纯度的原子束流。冷原子系统来进行量子模拟。另外通过添加人工规范场，可以研究拓扑问题。主要在冷原子实现费米气体的自旋轨道耦合。
55.也就是说，本发明提出了一种实现高温工作方式-内加热。在原子束发生装置内是真空状态，空气含量很低，所以内保部气体环境的导热率很低，经过计算可以得出由加热丝发出的黑体辐射很低，所以加热就只能依靠材料本身的热传导。由于要设备要做到小型化便携化，实验设备的体积减少那么内部空间就会被压缩，所以如何在保证加热效果的同时，要使加热丝紧贴着加热器6缠绕，挑选加热丝时要根据工作温度挑选加热丝的材质，根据设计的固定栅栏7的大小选择合适粗细的加热丝和能匹配的绝缘陶瓷柱。加热丝的缠绕方式根据固定栅栏7的位置设计成s形紧贴加热器6加热，还需设置隔热装置使热量的传递尽量减少，由于加热丝的容易氧化断裂的原因还需要设置方便更换的结构。但是内加热的好处是加热功耗低，可以很好的做好保温工作，保持整个设备内部的高温工作，同时减少原子束
流因为出射孔处温度降低而沉积堵塞毛细管，保持很好的工作效率，保证了得到的准直度高的原子数量。
56.同时为了方便更换以及确保设备的正常运行需要把内部设计的更加精密和稳定，增长设备的使用寿命以及需要兼顾由于更换不同实验材料性质的不同来选择原子束发生装置内部坩埚主体8材料，以及需要根据装置内的电子设备排布所以需要设计一个特殊排布的法兰电极1。
57.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。